Шлак и его роль в доменном производстве чугуна

Шлак и его роль в доменном производстве чугуна

Доменная печь (ДП) является старейшим (более 700 лет) из различных реакторов, используемых на сталелитейных заводах. Используется для производства жидкого чугуна (горячего металла). Доменная печь представляет собой сложный высокотемпературный противоточный реактор и имеет форму шахты, в которую попеременно загружаются железосодержащие материалы (руда, агломерат/окатыши) и кокс вместе с флюсовыми материалами (известняк, доломит и т. для создания слоистой шихты в печи. Подогретый воздух вдувается из нижней части печи через фурмы. Этот горячий воздух вступает в реакцию с коксом с образованием восстановительных газов. Нисходящая рудная шихта (оксиды железа) восстанавливается восходящими восстановительными газами и расплавляется с получением чугуна. Пустая порода и коксовая зола плавятся, образуя шлак с флюсовыми материалами. Жидкие продукты (жидкий чугун и шлак) сливаются (спускаются) из печи через определенные промежутки времени через летку. Качество получаемого чугуна зависит от образования шлака и его минералогических превращений. Для получения качественного чугуна необходим шлак хорошего качества. Шлак представляет собой смесь легкоплавких химических соединений, образующихся в результате химической реакции пустой породы железосодержащей шихты и коксовой золы с флюсовыми материалами шихты. Все невосстановленные соединения, такие как силикаты, алюмосиликаты, алюмосиликат кальция и т. д., также присоединяются к шлаку.

Хорошо известно, что компоненты шлака, а именно диоксид кремния (SiO2) и оксид алюминия (Al2O3), увеличивают вязкость, тогда как присутствие оксида кальция снижает вязкость. Зона плавления шлака определяет когезионную зону доменной печи, поэтому характеристики текучести и плавления шлака играют важную роль в определении производительности доменной печи. Первоначально образуется шлак, богатый железом, а затем из-за ассимиляции оксида кальция (CaO) и оксида магния (MgO) из флюсовых материалов состав шлака меняется. Когда шлак просачивается вниз, он ассимилирует SiO2 и Al2O3 золы, образующейся при сгорании кокса. Процесс просачивания зависит от текучести (низкой вязкости) шлака, которая в дальнейшем определяется его составом и температурой.

Шлак должен обладать способностью поглощать примеси, т. е. пустую породу из шихты, наряду с другими вредными примесями, влияющими на качество чугуна. Важно знать поведение шлака с точки зрения химического состава, минералогического состава и его способности реагировать и улавливать мелкие примеси. Также шлак должен быть свободносыпучим при рабочей температуре с высоким разделением шлака и металла без захвата металла. Следовательно, различные свойства конечного продукта напрямую зависят от состава шлака. Таким образом, физико-химические свойства шлака играют важную роль в работе доменной печи.

Конечный шлак доменной печи, образующийся при производстве чугуна, в основном считается смесью четырех оксидов, а именно (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO и (iv) MgO. Второстепенные компоненты шлака включают (i) оксид железа (FeO), (ii) оксид марганца (MnO), оксид титана (TiO2), щелочи (K2O и Na2O) и серосодержащие соединения. В разных зонах доменной печи образуются четыре вида шлаков с различным составом. (Рисунок 1). Это (i) первичный шлак, (ii) шлак шихты, (iii) фурменный шлак и (iv) конечный шлак. Эти четыре типа шлаков соответственно образуются в (i) когезионной зоне, (ii) зоне стекания, (iii) канале и (iv) очаге. Сливается последний шлак, поэтому для хорошего слива необходимо, чтобы он обладал надлежащей текучестью (низкой температурой ликвидуса и низкой вязкостью).

Рис. 1. Виды доменных шлаков и регионы их образования

Для бесперебойной работы доменной печи требуется, чтобы шлак удовлетворял следующим условиям.

• Объем шлака должен быть как можно меньше.
• Шлак должен иметь способность удалять щелочи,
• Это необходимо для выполнения требований по десульфурации.
• Состав первичного шлака должен быть однородным.
• Шлакообразование должно ограничиваться ограниченной высотой доменной печи, и шлак должен быть стабильным.
• Шлак должен обеспечивать хорошую проницаемость в зоне шлакообразования.
• Температура плавления шлака не должна быть ни слишком высокой, ни слишком низкой.
• Конечный шлак должен быть достаточно жидким, чтобы его можно было слить через летку,

Слои железосодержащего материала начинают размягчаться и плавиться в когезионной зоне под воздействием флюсов при преобладающей температуре, что значительно снижает проницаемость слоя, регулирующую поток материалов (газ/твердое) в печи. Это зона в печи, связанная размягчением железосодержащих материалов вверху и плавлением и текучестью их внизу. Высокая температура размягчения в сочетании с относительно низкой температурой потока может образовать узкую когезионную зону внизу доменной печи. Это уменьшит расстояние, пройденное жидкостью в печи, за счет уменьшения захвата кремния. С другой стороны, окончательный шлак, который стекает из области затвора в топку печи, должен быть коротким шлаком, который начинает течь, как только он размягчается. Таким образом, плавление является важным параметром для оценки эффективности доменного шлака.

Текучесть шлака в доменной печи влияет на размягчение-плавление в когезионной зоне, проницаемость в нижней части печи из-за задержки жидкости в зоне каплеобразования, течение жидкости в горне печи и способность дренажа шлак через летку. Это также влияет на его десульфурирующую способность. На текучесть шлака влияют температура и состав, причем на последний влияют минералы рудной пустой породы и зольные материалы кокса и пылевидного угля.

Доменные шлаки в основном относятся к трем шлаковым системам, а именно (i) третичная система CaO– Al2O3–SiO2, (ii) четвертичная система CaO– Al2O3–SiO2– MgO и (iii) пятикомпонентная система CaO– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. Как правило, основной рабочей областью доменного шлака для обеспечения хорошей текучести на диаграмме ликвидуса пятикомпонентной системы (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) является фаза мелилита (твердые растворы акерманита, Ca2MgSi2O7, и геленита, Ca2Al2SiO7).

Состав доменного шлака имеет очень важное значение для его физико-химических характеристик, которые влияют на степень десульфурации, плавность работы, обращение со шлаком, расход кокса, газопроницаемость, теплопередачу, производительность чугуна и его качество и т. д. Больше всего влияют свойства шлака:вязкость, сульфидная емкость, щелочная емкость и температура ликвидуса. Эти свойства имеют большое влияние на весь процесс доменной печи. На вязкость шлака сильно влияют химический состав, структура и температура.

Вязкость шлака представляет собой транспортное свойство, которое связано с кинетикой реакции и степенью восстановления конечного шлака. Вязкость шлака также определяет эффективность разделения шлака и металла и, следовательно, выход металла и способность удалять примеси. В процессе эксплуатации вязкость шлака указывает на легкость выпуска шлака из печи и, следовательно, влияет на потребность в энергии и рентабельность процесса.

Если система управления печью способна прогнозировать вязкость шлака и температуру ликвидуса, то она может оптимизировать анализ и контроль принятия решений во время работы доменной печи. В таком случае он заменяет использование эмпирических правил, относящихся к составу шлака. Для этого в прошлом было предпринято несколько попыток измерить и смоделировать вязкость для различных систем шлака.

Жидкий шлак может быть классифицирован как ньютоновская жидкость с вязкостью сдвига, не зависящей от скорости сдвига, и поэтому называется динамической вязкостью. На вязкость в значительной степени влияет связывание и степень полимеризации, при этом SiO2 и Al2O3 способствуют более высокой вязкости благодаря их ковалентным связям. Напротив, монооксиды, такие как CaO и MgO, проявляют ионное поведение, что приводит к разрушению силикатных цепочек и снижению вязкости. Это верно только для системы жидкий шлак-фаза, а в многофазной системе увеличение монооксидов приводит к повышению активности твердых фаз и возможному осаждению твердых частиц, что увеличивает эффективную (наблюдаемую) вязкость.

В типичной операции, когда можно изменить состав шлака, изменения в составе обычно имеют противоположные эффекты. Например, достижение более низкой вязкости при более высокой основности, вероятно, будет связано с неблагоприятным воздействием повышенной температуры ликвидуса. Помимо влияния на физико-химические свойства, основность шлака также влияет на способность шлака удалять серу (и в некоторой степени фосфор) и на содержание кремния в чугуне. Чем выше основность, тем выше содержание серы в шлаке и ниже содержание кремния в металле.

Шлаки с низким содержанием Al2O3 обычно имеют низкую вязкость, высокую сульфидную емкость и низкую температуру ликвидуса, а также меньший объем шлака, чем шлак с высоким содержанием Al2O3, в котором содержание Al2O3 обычно превышает 15 %. Шлак с высоким содержанием Al2O3 встречается в основном в индийских доменных печах из-за высокого отношения Al2O3/SiO2 в железной руде, а также в агломерате и высокого содержания золы в коксе. Эти шлаки имеют высокую вязкость.

Вязкость жидкого шлака определяется прежде всего его температурой и химическим составом. Температурная зависимость вязкости в заданном диапазоне температур обычно описывается уравнением Аррениуса, приведенным ниже.

N =A exp (E/RT)

Где

N =вязкость шлака

A =Предэкспоненциальный член

E =энергия активации вязкого течения

R =газовая постоянная

T =абсолютная температура

Силикатные шлаки состоят из катионов Si4+, которые окружены 4 анионами кислорода, расположенными в форме правильного тетраэдра. Эти SiO4 4-тетраэдры соединены между собой в цепочки или кольца мостиковым кислородом. Вязкое течение в шлаке зависит от подвижности ионных частиц в системе, которая, в свою очередь, зависит от характера химической связи и конфигурации ионных частиц. Межионные силы в случае шлаков зависят от размеров и зарядов вовлеченных ионов. Таким образом, естественно ожидать, что усиление межионных сил приводит к увеличению вязкости. В случае силикатных расплавов с высоким содержанием кремнезема полимерные анионы вызывают высокую вязкость. С увеличением концентрации оксидов металлов связи Si-O постепенно разрушаются, размер сетки уменьшается, что сопровождается снижением вязкости шлаков. Показано, что добавление оксидов щелочных металлов до 10-20 мол. % приводит к резкому падению вязкости вследствие деполимеризации.

В доменных шлаках всегда присутствует глинозем, а группы AlO4 5- образуют полимерные блоки с SiO4 4-. В шлаках, содержащих CaO-MgO-SiO2-Al2O3, глинозем увеличивает вязкость, как и кремнезем. С другой стороны, известь и магнезия, поставщики кислорода, оказывают противоположное влияние на вязкость.

Вязкость шлаков зависит от состава и температуры. Низкая вязкость помогает регулировать скорость реакции не только благодаря своему влиянию на перенос ионов в жидком шлаке к границе раздела шлак/металл и обратно. Это также обеспечивает бесперебойную работу доменной печи. Как увеличение основных оксидов, так и повышение температуры выше температуры ликвидуса шлака снижают вязкость. В случае системы CaO-MgO-SiO2-Al2O3 оксид алюминия и кремнезем не эквивалентны в молярном отношении по своему действию, хотя оба увеличивают вязкость этих расплавов. Влияние глинозема на вязкость зависит от содержания извести в шлаке. Это связано с тем, что Al3+ может заменить Si4+ в силикатной сетке, только если он связан с 1/2 Ca2+ для сохранения электрической нейтральности.

Поведение плавления шлака описывается четырьмя характеристическими температурами, а именно (i) начальной температурой деформации (IDT), символизирующей поверхностную липкость, важную для движения материала в твердом состоянии, (ii) твердым состоянием (ST), символизирующим пластичность. деформация, указывающая на начало пластической деформации, (iii) полусферическая температура (HT), которая также является температурой плавления или ликвидуса, символизирующая вялое течение, играющая значительную роль в аэродинамике печи и тепломассообмене, и (iv ) температура потока (FT), символизирующая подвижность жидкости.

Шлак, образующийся в когезионной зоне, представляет собой первичный шлак, который образуется с FeO в качестве основного флюсующего компонента. FeO оказывает существенное влияние на температуру солидуса, температуру плавления, интервал солидус-плавление. Этот шлак полностью отличается от конечного шлака, в котором флюсование в первую очередь вызвано присутствием основных компонентов, таких как CaO или MgO. Хотя получить первичный шлак из доменной печи невозможно, всегда можно приготовить в лаборатории синтетический шлак, аналогичный первичному шлаку, и изучить его характеристики текучести. Конечный шлак представляет собой шлак с небольшой разницей между ST и FT. Такой шлак приобретает жидкую подвижность и как можно быстрее стекает в печь с места, где он начинает пластически деформироваться. Это действие обнажает свежие участки для дальнейшей реакции и предположительно отвечает за повышенную скорость реакции шлака с металлом, влияя на работу доменной печи и качество металла.

На текучесть доменных шлаков большое влияние оказывает степень восстановления оксида железа при низкой температуре (в зернистой зоне), помимо состава, а также качества и количества пустой породы в железосодержащих материалах. Соотношение CaO/SiO2 и содержание MgO в доменном шлаке сильно влияют на его размягчительно-плавящие свойства. Наличие MgO позже в процессе часто приводит к небольшому диапазону температур когезионной зоны, что приводит к лучшей проницаемости слоя, что, в свою очередь, влияет на расход кокса и качество производимого чугуна.

Увеличение Al2O3 в железной руде влияет не только на прочность агломерата, но и на его характеристики при высоких температурах в когезионной зоне. Концентрация Al2O3 в шлаке считается фактором, ухудшающим текучесть шлака и повышающим температуру ликвидуса. Эффекты высокого содержания глинозема в шлаке следующие.

• Шлак с высоким содержанием глинозема имеет высокую вязкость при постоянной основности (CaO/SiO2). Однако с увеличением содержания основных оксидов и повышением температуры выше температуры ликвидуса шлака вязкость высокоглиноземистого шлака в некоторой степени снижается.
• Шлак с более высоким содержанием глинозема имеет большую тенденцию к уменьшению содержания кремния, и существует тенденция к увеличению уровня кремния в чугуне.
• Содержание серы в чугуне имеет тенденцию к увеличению с увеличением содержания глинозема в шлаке. Следовательно, шлак с высоким содержанием глинозема способствует менее эффективной десульфурации.
• Перепад давления в зоне стекания увеличивается по мере увеличения концентрации Al2O3 в шлаке. Даже если соотношение CaO/SiO2 увеличивается, перепад давления в зоне стекания увеличивается.

Ухудшающий эффект высокого содержания глинозема в шлаке компенсируется увеличением в нем содержания MgO. Концентрация глинозема в шлаке полуэмпирически установлена ​​во многих странах на верхнем пределе около 16 %, чтобы избежать накопления железного шлака и ухудшения проницаемости в нижней части доменной печи.